【文章內(nèi)容簡介】 濺射； 濺射所獲得的薄膜與基片結(jié)合較好； 濺射所獲得的薄膜純度高，致密性好； 濺射工藝可重復(fù)性好，膜厚可控制，同時可以在大面積 基片上獲得厚度均勻的薄膜。 濺射存在的缺點是：沉積速率低，基片會受到等離子體的輻 照等作用而產(chǎn)生溫升。 濺射參數(shù) ? 濺射閾值：將靶材原子濺射出來所需的最小能量值。 ? 濺射率：有稱濺射產(chǎn)額或濺射系數(shù) ,表示入射正離子轟擊靶陰極 時 ,平均每個正離子能從靶陰極中打出的原子數(shù)。 ? 濺射粒子的速度和能量：濺射原子所獲得的能量值在 1～ 10eV。 ，而原子序數(shù)小的濺射 原子濺射逸出的速度較高。 ，濺射原子逸出能量隨入射離子的質(zhì)量而 線性增加。 ，擔當入 射離子能量達到某一較高值時，平均逸出能量趨于恒定。 濺射裝置 根據(jù)濺射裝置中電極的特點 ,其種類可以分為： 1. 直流濺射 : 靶材是良導體 . 2. 射頻濺射 : 靶材可以是導體 ,半導體和絕緣體 . 3. 磁控濺射 : 通過磁場約束電子的運動以增強電子對 工作氣體的電離效率。 輝光放電直流濺射 盤狀的待鍍靶材連接到電源的陰極， 與靶相對的基片則連接到電源的陽極。 通過電極加上 1～ 5kV的直流電壓，充入 到真空室的中性氣體如 Ar便會開始輝光 放電。 直流二級濺射制備薄膜實例 三級濺射 射頻濺射制備薄膜實例 磁控濺射實例 磁控濺射陰極特征 Serikawa和 Okamoto設(shè) 計了左圖中所示的裝置， 并用其制備了硅膜。 磁控濺射實例 Kobayashi等人用以上裝置制備了具有高沉積 率的難熔金屬硅酸鹽膜。 Chang等人用以上系統(tǒng)可以獲得高沉積率濺射 Ni。 磁控濺射實例 Yoshimoto等人用以上裝置制備了 BiSr CaCuO膜。 Cuomo和 Rossuagel等人用以上裝置制備了 Ta/Au 膜。 對靶濺射實例 Hoshi等人研制出的這套系統(tǒng)可以獲得高沉積率的磁性膜且不必大幅升高基片溫度。 磁控濺射制備薄膜實例 離子束濺射 在離子束濺射沉積中，在離子源 中產(chǎn)生的離子束通過引出電壓被 引入到真空室，爾后直接達到靶 上并將靶材原子濺射出來，最終 沉積在附近的基片上。 離子束濺射的特點 相對于傳統(tǒng)濺射過程 ,離子束濺射具有如下優(yōu)點： . . . 離子束濺射的主要缺點：濺射面太小導致沉積速率過低 . 離子束濺射 (I) 制備碳膜的濺射條件： Kitabatake和 Wasa使用左圖 中所示的裝置沉積了碳膜， 也研究了氫離子轟擊效應(yīng)。 離子束濺射 (II) Jansen等人用上面的裝置制備了高純度 的碳膜，也研究了加氫對非晶碳性質(zhì)的 影響。 Takeuchi等人用上面裝置濺射沉積了 Cu和 RuO2膜。 離子束濺射 (III) Gulina使用 Ar離子束通過濺射 壓制粉末 ZnTe做成的靶制備 了 ZnTe膜。離子束濺射沉積 ZnTe的實驗條件如下表所示。 離子束濺射 (IV) Krishnaswamy等人報道了在單晶 CdTe基片上，離子束濺射外延生長了 CdTe和HgCdTe膜。實驗裝置如左圖，實驗條件如下表。 離子束濺射 (V) 交流濺射 Takeuchi等人應(yīng)用左圖所示的裝置制備了 BiSrCaCuO超導膜。 反應(yīng)濺射 在存在反應(yīng)氣體的情況下，濺射靶材時，靶材料會與反應(yīng)氣體反應(yīng)形成化合物， 這樣的濺射就是反應(yīng)濺射。 在典型的反應(yīng)濺射系統(tǒng)中，反應(yīng)氣體與靶發(fā)生反應(yīng)，在靶表面形成化合物，這一 現(xiàn)象稱為靶中毒，當靶中毒發(fā)生時，由于濺射化合物的速率僅僅是金屬靶濺射率 的 10％～ 20%,濺射率急劇下降。下圖給出一般反應(yīng)濺射的顯著特點。 反應(yīng)濺射的回線圖 反應(yīng)濺射制備薄膜實例 反應(yīng)濺射 (I) 反應(yīng)濺射 (II) 反應(yīng)濺射 (III) 離子 (束 )輔助沉積 離子 (束 )輔助沉積 :離子 (束 )參與蒸發(fā)或濺射粒子的輸運和沉積過程的物理氣相沉積 . 離子 (束 )輔助沉積主要優(yōu)點是： 薄膜與基片結(jié)合好； . 離子與基片表面的相互作用 和濺射 .可以用于基片清洗 . ,提 高薄膜與基片的結(jié)合力 . ,提高生長 面的均勻性 . 蒸發(fā)離子鍍 離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或 被蒸發(fā)物部分離化，產(chǎn)生離子轟擊效應(yīng)，最終將 蒸發(fā)物或反應(yīng)物沉積在基片上。離子鍍集氣體輝 光放電、等離子體技術(shù)、真空蒸發(fā)技術(shù)于一身， 大大改善了薄膜的性能。優(yōu)點是： 兼有真空蒸發(fā)鍍膜和濺射的優(yōu)點； 所鍍薄膜與基片結(jié)合好； 到達基片的沉積粒子繞射性好； 可用于鍍膜的材料廣泛； 沉積率高； 鍍膜前對鍍件清洗工序簡單且對環(huán)境無污染。 濺射離子鍍 離子鍍制備的薄膜材料 三極離子鍍 (I) 三極離子鍍 (II) 空陰極放電離子鍍 Stowell和 Chambers利用空陰極放電制備了 Cu和 Ag涂層。 陰極電弧等離子體沉積 (I) 陰極電弧等離子體沉積 (II) 陰極電弧等離子體沉積 (III) 熱空陰極槍蒸發(fā) 熱空陰極槍蒸發(fā)是產(chǎn)生電弧的設(shè)備，通過收集電子形成電子束而作為加熱源。熱空陰極槍如左圖所示。 Morley和 Smith首次利用熱空陰極制備了 Cu和石英涂層。 Wang 等人利用空陰極電子束源在鋼基片上沉積了 Ag膜。 共離子轟擊沉積 (I) 共離子轟擊沉積 (II) 共離子轟擊沉積 (III) 離子束沉積 (I) 離子束沉積實例 離子束沉積 (II) 外延生長 外延是指生長層與基片在結(jié)構(gòu)上有著嚴格的晶體學關(guān)系 ,外延生長就是在基片上取向或單晶生長確定的薄膜材料 . 同質(zhì)外延 :在相同的基片上外延 . 異質(zhì)外延 :在不同的基片上外延 . 主要的外延生長技術(shù) :分子束外延 (MBE)。液向外延 (LPE)。熱壁外延 (HWE)。金屬有機化學氣相沉積(MOCVD). 分子束外延特點（ MBE) 分子束外延是在超高真空條件下，精確控制原材料的中性 分子束強度，并使其在加熱的基片上進行外延生長的一種 技術(shù)。 分子束外延的特點是： ，因此雜質(zhì)氣體不易進入薄膜，薄 膜的純度高； ； ； ，從而可以嚴格控制薄膜的生 長及結(jié)構(gòu)。 分子束外延裝置 液相外延生長 (LPE) 熱壁外延生長 (HWE) 熱壁外延生長裝置 有機金屬化學氣相沉積 有機金屬化學氣相沉積 (MOCVD)是采用加熱方法將化合物分解而進行外延生長半導體化合物的一種技術(shù)。 MOCVD的特點： ； ，生長溫度范圍較寬； ，膜的均勻性和膜的電學 性質(zhì)重復(fù)性好； ，因此，在延膜生長 方向上，可實現(xiàn)摻雜濃度的明顯變化； 。 有機金屬化學氣相沉積裝置 薄膜的形成與生長 薄膜基本的形成過程 :首先是來自于氣相的原子 在基片表面的沉積 ,然后由于物理 (化學 )吸附導 致氣態(tài)原子吸附在基片表面成為吸附原子 ,接著 表面熱運動使得吸附原子發(fā)生聚集形成吸附原子 團簇 ,而后的吸附原子表面擴散運動又使得聚集 的原子團簇不斷長大導致成核發(fā)生 ,最后 ,晶核的 不斷長大最終在基片表面形成連續(xù)膜 . 薄膜形成的基本過程 一 .成核 (化學 )吸附產(chǎn)生表面吸附原子 。 。 . 二 .生長 。 。 . 成核的基本過程 成核是一個氣 (液 )固相變的過程 ,主要包括 : 物理 (化學 )吸附轉(zhuǎn)變?yōu)楸砻嫖皆?。 集 。 長大 . 發(fā)生 . 吸附和脫附 吸附原子的產(chǎn)生是氣相原子在基片表面吸附和脫附過程的平衡結(jié)果。 氣相原子與基片表面發(fā)生碰撞而留在表面的幾率稱為 “ 凝聚 ” 或“ 粘滯 ” 系數(shù) ,是發(fā)生碰撞的氣相原子總數(shù)與碰撞后留在表面的原子數(shù)之比。 “ 凝聚 ” 或 “ 粘滯 ” 系數(shù)可以用 α T來描述： αT = (TITR)/(TITS) = (EIER)/(EIES) T1和 E1:入射原子的等效均方根溫度和等效動能 TR和 ER:反射原子的等效均方根溫度和等效動能 表面熱運動 吸附原子與基片達到熱力學平衡的時間即平均弛豫時間 : τs=exp(Qdes/kT)/ν 吸附原子在基片表面上移動 ,在被脫附之前 ,具有的平均滯留時間為 : τe=2τsexp(Qdes/kT) Qdes:脫附能 。 k:玻爾茲曼常數(shù) 。 T:基片溫度 . Qdes187。kT時 , τ s 很大 ,τ e 很小 ,吸附原子可以迅速達到熱平衡 , 做表面熱平衡擴散運動即跳躍擴散 。 Qdes~kT時 , τ s 很大 ,τ e 很大 ,吸附原子很難達到熱平衡 , 在基片表面不斷地吸附脫附 ,形成二維的原子氣體 . 表面擴散運動 在停留時間內(nèi)，一個熱力學平衡的吸附原子在基片表面上作 擴散運動 ,其擴散距離 Χ 由布朗運動中的愛因斯坦關(guān)系式給出： Χ=(2DsTs)1/2=(2ντs)1/2aexp(Q/2kT)=21/2aexp[(QdesQd)/2kT] a:吸附原子作表面擴散運動的步長即跳躍距離 。 Qd:表面擴散激活能 。 Ds:表面擴散系數(shù) . 吸附原子作擴散運動 ,其擴散距離的大小反映了吸附原子間 通過表面擴散運動產(chǎn)生聚集的可能性 . Qdes和 Qd是兩個對吸附原子表面運動起決定作用的物理量 . 一些體系的 Qdes和 Qd值 LangnuirFrenkel凝聚理論 模型 :吸附原子在所滯留時間內(nèi) ,在表面上作擴散運動 ,與另一個吸附原子碰撞形成原子對 ,而這個原子對則成為其他原子的凝聚中心 . 如果假設(shè)撞擊表面和從表面脫附的原子相對比率保持恒定 ,且撞擊原子數(shù)臨界密度可由下式給出： Rc=νexp(μ/kT) /4A A是捕獲原子的截面， μ 是單個原子吸附到表面的吸附能與一對原子的分解能之和 . 評價 :LangnuirFrenkel凝聚理論的核心是提出了撞擊原子數(shù)臨界密度的概念并得到了部分實驗驗證 ,但是這個模型過于簡單 ,忽略許多重要的物理細節(jié) . 成核 :毛吸理論 (經(jīng)典成核熱力學理論 ) 經(jīng)典成核熱力學理論也稱毛吸理論或均勻成核理論 ,是由 Volmer,Weber,Becker和 Dorion提出的 ,他們考慮了